秦 毅

(核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 300200)

0 引言

頁巖氣是一種非常規(guī)的天然氣資源，作為一種新的替代資源，已經(jīng)在全球引發(fā)了一場(chǎng)“頁巖氣革命”，并且將給人類帶來一場(chǎng)“新能源革命”[1]。頁巖氣是以吸附、游離狀態(tài)存在泥頁巖中可開發(fā)的新銳資源。我國自2004年起即開展了頁巖氣資源的研究調(diào)查工作，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心于2015年下達(dá)開展貴州羅甸地區(qū)1∶5萬頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作，羅地1井就是該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一口頁巖氣調(diào)查井。該井完井質(zhì)量較好，其施工工藝對(duì)今后頁巖氣調(diào)查井的施工有一定借鑒意義。

1 工程簡介

羅地1井位于廣西省壯族自治區(qū)河池市南丹縣六寨鎮(zhèn)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)北高南低，山巒起伏、溝谷縱橫、地面破碎、山地特色明顯。設(shè)計(jì)井深1500 m，于2016年1月17日開工，6月23日鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深，共計(jì)159 d，實(shí)際完鉆井深1501.06 m，取心段巖心獲取率98.7%，鉆孔質(zhì)量完全符合地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到地質(zhì)目的。

1.1 地層概述

羅地1井為一套沉積巖地層，鉆遇主要地層為石炭系南丹組、巴定組，泥盆系五指山組和羅富組。主要巖性為細(xì)晶灰?guī)r、石英粉砂巖、含炭泥質(zhì)灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、含炭泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、含炭泥質(zhì)頁巖等。構(gòu)造位置為六寨塘加背斜東部，目的層為中泥盆統(tǒng)羅富組和下泥盆統(tǒng)納標(biāo)組上部。井深0～550 m以灰?guī)r為主，夾薄層泥頁巖互層，上部風(fēng)化嚴(yán)重，巖層較軟，溶洞發(fā)育較多，可鉆性4～5級(jí)。井深550～1501 m完鉆以條帶狀灰?guī)r，微晶灰?guī)r含炭質(zhì)泥頁巖和硅質(zhì)灰?guī)r為主，地層較穩(wěn)定，巖心較完整，可鉆性6級(jí)左右，研磨性不強(qiáng)，井壁巖層微裂隙發(fā)育，鉆井液有滲漏現(xiàn)象。

1.2 鉆探設(shè)備和機(jī)具選擇

主要的鉆探設(shè)備及機(jī)具見表1、表2。

1.3 井身結(jié)構(gòu)

羅地1井采用四開的井身結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

一開使用?130 mm硬質(zhì)合金鉆頭采用單管鉆進(jìn)鉆穿地表風(fēng)化破碎帶后，下入?127 mm套管固井，該段為0～14.57 m。

二開使用?110 mm金剛石鉆頭采用單管鉆進(jìn)至石炭系上統(tǒng)南丹組，巖性以細(xì)晶灰?guī)r和硅質(zhì)灰?guī)r為主，鉆遇較穩(wěn)定堅(jiān)硬巖石后下入了?108 mm的套管隔離，該段為14.57～139.22 m。

表1 主要施工設(shè)備

表2 主要管材鉆具

圖1 羅地1井井身結(jié)構(gòu)

三開用S95金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至石炭系下統(tǒng)巴定組，巖性以碎屑灰?guī)r為主，該層段溶洞發(fā)育多，巖心較破碎，鉆穿溶洞層位，鉆遇較穩(wěn)定堅(jiān)硬地層下?89 mm套管隔離，該段為139.22～550.05 m。

四開用S77金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔，該段為550.05～1501.06 m。

2 鉆井質(zhì)量要求

羅地1井設(shè)計(jì)井深1500 m，實(shí)際完鉆井深1501.06 m。

井斜質(zhì)量要求：每100 m最大井斜≤2°，完井閉合井斜≤8°。

巖心采取率要求：全井段取心，平均采取率≥85%，目的層采取率≥95%。完鉆口徑≥75 mm。

3 施工難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

3.1 地層不穩(wěn)定、溶洞多

頁巖氣調(diào)查井一般設(shè)計(jì)在沉積巖地層中，該地層主要包括第四系、第三系、石炭系中無膠結(jié)或膠結(jié)差的軟、碎、散、塌、漏、涌等復(fù)雜地層[2]。其中第四系地層主要有松散砂礫石、卵石、砂質(zhì)粘土等；第三系地層主要有松散無膠結(jié)或弱膠結(jié)的礫巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等；石炭系地層主要有泥巖、煤層、泥質(zhì)弱膠結(jié)或無膠結(jié)的松散砂巖、砂礫巖。羅地1井自上而下鉆遇第四系、第三系、石炭系、泥盆系，巖性以灰?guī)r和泥頁巖為主，地層破碎(見圖2)，取心難度大，鉆井上部遭遇多個(gè)溶洞，地層情況比較復(fù)雜。泥頁巖層水敏性較強(qiáng)，井壁易失穩(wěn)，超徑縮徑情況頻發(fā)；溶洞地層巖心破碎缺失，導(dǎo)致泥漿漏失嚴(yán)重，循環(huán)系統(tǒng)失效，易出現(xiàn)掉塊卡鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故。針對(duì)此類復(fù)雜情況，一般考慮從鉆井液和套管隔離兩個(gè)方面來解決。

圖2 羅地1井鉆遇較破碎地層

(1)泥頁巖屬于泥巖和頁巖之間的過渡巖石地層，可見發(fā)育不完善的頁理，該種地層富含泥沙充填，較為松散，膠結(jié)性較弱，鉆井過程中，容易出現(xiàn)垮塌、掉塊、井壁失穩(wěn)等情況(圖2)，因此，泥頁巖中易發(fā)生超徑、縮徑等現(xiàn)象，給施工造成一定的困難。泥頁巖地層鉆進(jìn)，如何選配合理的鉆井液是鉆井成功的關(guān)鍵。科學(xué)合理的配置鉆井液能夠有效地保證孔壁的完整和穩(wěn)定，從而降低孔內(nèi)事故發(fā)生的概率，保證鉆進(jìn)效率，保障鉆孔質(zhì)量，達(dá)到縮短建井周期的目的。

泥頁巖復(fù)雜地層鉆進(jìn)中使用的鉆井液應(yīng)具備以下條件：①盡可能降低鉆井液中的固相含量；②鉆井液應(yīng)具備較強(qiáng)的膠連松散顆粒的能力；③能使鉆井液在巖心及孔壁表面形成膠質(zhì)薄膜[3]。

應(yīng)對(duì)措施：采用0.35%纖維素+1.0%腐植酸鉀+0.3%聚乙烯醇+0.25%聚丙烯酰胺的鉆井液配方。鉆井液性能：密度1.01～1.04 g/cm3，粘度17～19 s，pH值8～9[4]。該鉆井液具有粘度高、膠結(jié)抗水化能力強(qiáng)、失水量小等特點(diǎn)，對(duì)水敏性地層有良好的抑制水化膨脹作用。在鉆進(jìn)施工中，由于鉆井液合理的配備使用，井壁失穩(wěn)導(dǎo)致的超徑、縮徑、掉塊、坍塌等現(xiàn)象都有明顯的控制和改善。

(2)羅地1井共遭遇大小溶洞21個(gè)，其中深度1 m以上的溶洞7個(gè)，最大高度達(dá)4.22 m(根據(jù)巖心情況，推斷300.08～305.84 m是一個(gè)溶洞)，給鉆井施工造成了很大的困難。小溶洞會(huì)導(dǎo)致鉆井液的漏失，甚至不返水，孔內(nèi)掉塊，卡鉆等。大溶洞會(huì)導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷突然加大，鉆井液循環(huán)系統(tǒng)失效，鉆進(jìn)阻力變大，孔底溫度急劇升高，甚至發(fā)生燒鉆。鉆桿柱由于與孔壁間隙過大，在離心力的作用下易發(fā)生斷鉆桿等事故。溶洞對(duì)于鉆探生產(chǎn)而言是一個(gè)難以克服的問題，鉆井液僅僅能夠控制孔壁的穩(wěn)定性，對(duì)于溶洞地層并無明顯的效果。

應(yīng)對(duì)措施：羅地1井鉆遇的溶洞集中在鉆井上部，井深15～452 m為溶洞較多的地層，且深度1 m以下的小溶洞居多。在生產(chǎn)施工中，根據(jù)鉆遇溶洞的大小，處理方式上也有所不同。①鉆遇小溶洞時(shí)(以251.27 m的溶洞為例)，將海帶、麻繩、鋸末等惰性材料混合粘合力較強(qiáng)的膨潤土、堵漏劑等泥漿材料灌入孔內(nèi)，對(duì)小溶洞進(jìn)行填充，對(duì)溶洞內(nèi)的裂隙進(jìn)行封堵，必要時(shí)灌入水泥漿，對(duì)掉塊進(jìn)行固定，使鉆井反水正常，保障鉆進(jìn)安全；②鉆遇大溶洞時(shí)(以300.08 m的多個(gè)連續(xù)大溶洞為例)，采用S95鉆桿進(jìn)行頂漏鉆進(jìn)，鉆穿溶洞后，首先嘗試下入?89 mm套管，因溶洞內(nèi)堆積物過多，導(dǎo)致套管無法下抵孔底，只能采用S95鉆桿配合特制薄壁鉆頭(鉆頭內(nèi)徑與鉆桿內(nèi)徑相同)掃孔至孔底，然后灌入水泥漿對(duì)S95鉆桿柱進(jìn)行固定，用S95鉆桿充當(dāng)技術(shù)套管，隔離了井壁，防止了溶洞層的坍塌掉塊。鉆井反水正常，鉆進(jìn)生產(chǎn)得以持續(xù)。

3.2 井斜的控制

頁巖氣調(diào)查井對(duì)于井斜質(zhì)量的要求比較高。在沉積巖軟硬交替的地層中，如何控制和把握鉆井的井斜是鉆井能夠成井的關(guān)鍵,鉆井的跑斜主要跟地層、鉆速、鉆壓等相關(guān)。羅地1井鉆遇的地層軟硬交替，尤其是井深472～665.9 m的巴定組，此時(shí)鉆進(jìn)正處于設(shè)計(jì)井深的1/3深度，井斜的控制尤為重要。該段巖性是炭質(zhì)泥巖和硅質(zhì)灰?guī)r交替互層，巖石硬度差異較大，是最容易出現(xiàn)跑偏、跑斜的地層。

應(yīng)對(duì)措施：(1)在羅地1井鉆塔安裝前，對(duì)地基進(jìn)行水平校正，確保鉆塔基座水平、周正。鉆機(jī)設(shè)備安裝中，立軸中心與天車、井口中心處于一條直線上。(2)開孔時(shí)，采用鋒利鉆頭輕壓、慢轉(zhuǎn)，平穩(wěn)的進(jìn)行開孔作業(yè)，施工生產(chǎn)中，仔細(xì)觀察鉆進(jìn)進(jìn)尺情況，調(diào)整鉆壓、鉆速，有針對(duì)性地調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)(表3)，降低鉆井的含砂量，鉆遇完整地層時(shí)，適度提升轉(zhuǎn)速和鉆壓，提高生產(chǎn)效率；鉆遇破碎或軟硬互層時(shí)，適當(dāng)?shù)販p輕鉆壓，降低轉(zhuǎn)速，維持進(jìn)尺的平穩(wěn)，避免在鉆遇過渡地層時(shí)出現(xiàn)跑斜情況。更換鉆具、鉆級(jí)時(shí)，把孔內(nèi)巖心打撈干凈，采用帶導(dǎo)正的異徑鉆具。(3)嚴(yán)格百米測(cè)斜，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，出現(xiàn)跑斜較大情況，及時(shí)總結(jié)，針對(duì)性采取措施，保障鉆井的質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

表3 羅地1井鉆進(jìn)工藝及參數(shù)

注：表中的參數(shù)數(shù)據(jù)為估算平均值，不代表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，鉆進(jìn)中參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 施工效果

4.1 鉆進(jìn)效率

羅地1井鉆進(jìn)月平均臺(tái)月效率527 m，全井巖心采取率98.7%，目的層段(羅富組、納標(biāo)組上部)巖心采取率100%。羅地1井鉆遇地層為海陸交互相沉積巖地層，主要巖心以灰?guī)r、泥巖、頁巖為主，巖層松軟，可鉆性不強(qiáng)，溶洞發(fā)育較多，全井段共遭遇溶洞21個(gè)。在實(shí)際施工中，巖石對(duì)鉆頭的磨損程度較輕，鉆頭消耗數(shù)量較少，溶洞地層由于孔內(nèi)情況復(fù)雜，孔內(nèi)坍塌、掉塊頻繁，多次出現(xiàn)卡鉆情況，延誤了鉆孔周期(表4)。

表4 羅地1井作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)

通過表4對(duì)比可知，在井段139.22～550.05 m的作業(yè)過程中，純鉆時(shí)間利用率僅為34%。此井段恰恰是溶洞最為發(fā)育的層位，鉆井液的漏失，孔內(nèi)頻繁的掉塊，甚至孔內(nèi)坍塌，對(duì)鉆進(jìn)效率產(chǎn)生了很大影響。

4.2 鉆井彎曲度

羅地1井嚴(yán)格把控井斜質(zhì)量，井隊(duì)配備JTL-40GX(W)無纜光纖陀螺測(cè)斜儀，施工至14.57 m下入表層套管后即進(jìn)行測(cè)斜作業(yè)，測(cè)量井斜頂角僅為0.2°。全井最大井斜1482.3 m處8.00°，井底(1500 m)東西位移偏西86.69 m，井底南北位移偏南28.32 m(見圖3)，鉆井彎曲度符合設(shè)計(jì)要求。

圖3羅地1井水平投影圖

5 結(jié)論

(1)頁巖氣調(diào)查井相對(duì)于其它地質(zhì)勘探類鉆孔在鉆遇復(fù)雜破碎地層，鉆遇構(gòu)造帶，以及所適應(yīng)的地層硬度大小和巖石可鉆性等方面有明顯的區(qū)別。

在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要有所針對(duì)性，如有無復(fù)雜地層，漏失地層的厚度、深度，是否鉆遇斷層等。井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否與地層情況相對(duì)應(yīng)對(duì)鉆井的成井與否息息相關(guān)，這就需要克服以往地勘類鉆探“摸著石頭過河”的習(xí)慣。了解地層情況之后再?zèng)Q定鉆井結(jié)構(gòu)、開次、各開次井深、表層套管和技術(shù)套管的直徑、下深等，為后續(xù)鉆進(jìn)預(yù)留足夠的井徑空間。

(2)羅地1井在溶洞層段采用S95鉆桿作為技術(shù)套管對(duì)孔壁進(jìn)行隔離，具有高效、安全、省時(shí)的特點(diǎn)，在溶洞、掉塊較多或易超徑縮徑的復(fù)雜地層中都是值得借鑒推廣的。

[1] 易強(qiáng)忠,廖國平.云南鹽津頁巖氣調(diào)查鹽津1-2井施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016,43(7)：68-75.

[2] 索忠偉,王生.鉆孔沖洗與護(hù)壁堵漏[M].北京：地質(zhì)出版社，2009：71-72.

[3] 烏效鳴.復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)[R].2010.

[4] 鄭克清.復(fù)雜地層鉆探護(hù)壁堵漏工藝研究與應(yīng)用[D].湖南長沙：中南大學(xué),2012.

[5] 米合江,張飛.新疆頁巖氣調(diào)查井準(zhǔn)頁2井鉆井施工技術(shù)及問題探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(11)：25-30.

[6] 孫孝剛,盧忠友,鄧鵬.貴州頁巖氣班竹1井鉆進(jìn)施工實(shí)踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(7)：84-88.

[7] 蔣國盛,王榮璟.頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(1)：3-8．

[8] 張鴻飛.深部找礦鉆探施工工藝與方法[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39(10)：26-31.

[9] 翟育峰，仲崇龍，劉峰，等.羌塘盆地羌資—14井鉆探施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(7)：92-95.

[10] 張永生.鉆井施工手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2010.

[11] 譚千鐘.湘中頁巖氣調(diào)查(參數(shù))井施工工藝[J].西部探礦工程,2016,(3)：54-56.

[12] 王建華，劉杰，張進(jìn).頁巖氣開發(fā)鉆完井技術(shù)探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(10)：1-5.

[13] 馬振峰，于小龍，閆志遠(yuǎn)，等.延頁平3井鉆完井技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2014,36(3)：23-26.

[14] 陶士先.復(fù)雜地層泥漿護(hù)壁與堵漏[R].2014.

[15] 宋繼偉，李勇.貴州頁巖氣調(diào)查井施工工藝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(8)：26-30.